阅读说明：本技术 一种无负压的液氧大过冷度获取系统 (Large liquid oxygen supercooling degree acquisition system without negative pressure ) 是由 王磊 上官石 刘柏文 厉彦忠 马原 谢福寿 于 2020-04-22 设计创作，主要内容包括：一种无负压的液氧大过冷度获取系统,包括液氧储罐,液氧储罐的顶部增压口通过阀门和高压氦气瓶出口连接；液氧储罐底部出口通过循环泵连接氧-氦换热器的液氧侧入口,氧-氦换热器的液氧侧出口连接液氧储罐顶部回流口；氧-氦换热器的氦气侧出口通过冷氦压缩机连接液氮浴式换热器的氦气侧入口,液氮浴式换热器的氦气侧出口连接通过氦膨胀机连接氧-氦换热器氦气侧入口；液氮浴式换热器的液氮入口通过液位调节阀与液氮储罐底部出口连接,液氮浴式换热器的氮气出口经氮气泄流阀排空；本发明利用液氮预冷与冷氦压缩机制冷相结合,从而可不借助抽真空设备与负压换热装置,实现温度低于64K大过冷度液氧的发射场现场制备。(A non-negative pressure liquid oxygen high supercooling degree acquisition system comprises a liquid oxygen storage tank, wherein a top pressurizing port of the liquid oxygen storage tank is connected with an outlet of a high-pressure helium bottle through a valve; an outlet at the bottom of the liquid oxygen storage tank is connected with a liquid oxygen side inlet of the oxygen-helium heat exchanger through a circulating pump, and a liquid oxygen side outlet of the oxygen-helium heat exchanger is connected with a top return port of the liquid oxygen storage tank; a helium side outlet of the oxygen-helium heat exchanger is connected with a helium side inlet of the liquid nitrogen bath type heat exchanger through a cold helium compressor, and a helium side outlet of the liquid nitrogen bath type heat exchanger is connected with a helium side inlet of the oxygen-helium heat exchanger through a helium expander; a liquid nitrogen inlet of the liquid nitrogen bath type heat exchanger is connected with an outlet at the bottom of the liquid nitrogen storage tank through a liquid level regulating valve, and a nitrogen outlet of the liquid nitrogen bath type heat exchanger is emptied through a nitrogen gas leakage valve; the invention combines liquid nitrogen precooling and cold helium compressor refrigeration, thereby realizing the field preparation of the transmitting field of the supercooled liquid oxygen with the temperature lower than 64K without vacuum-pumping equipment and a negative pressure heat exchange device.)

一种无负压的液氧大过冷度获取系统

技术领域

本发明涉及航天发射场低温推进剂过冷度获取技术领域，具体涉及一种无负压的液氧大过冷度获取系统。

背景技术

低温推进剂包括液氧/液氢、液氧/液甲烷、液氧/煤油组合，具有比冲高、推力大、无毒无污染等性能优势，将在未来的航天发射中大规模采用。无论采用哪种低温推进剂组合，都以液氧作为氧化剂，因此，液氧特性会对火箭整体性能产生重要影响。

低温火箭所加注液氧通常为常压下饱和状态，温度约90K，密度约1142kg/m³。若对液氧开展过冷，则有利于增大液氧密度、提高火箭的运载能力。当液氧过冷至78K(常压下液氮饱和温度)时，液氧密度为1200kg/m³；当过冷至64K(氮三相点温度)时，液氧密度为1264kg/m³；当过冷至55K(氧的三相点温度)时，液氧密度为1304kg/m³。相较于饱和液氧，三个过冷度时的密度提升率分别为5.1％、10.7％、14.2％。此外，向火箭加注过冷液氧也有利于避免气液两相流管理难题、减小液氧蒸发损失、有助于延长液氧空间无损贮存时间。

氧在常压下的饱和温度约90K，氧的三相点温度为54.4K，三相点压力为0.152kPa；氮在常压下的饱和温度约78K，氮的三相点温度约63.2K，三相点压力约12.54kPa。

采用液氮过冷液氧时，常压换热可制备温度高于78K的过冷液氧；对液氮抽真空，通过负压液氮/液氧换热，可制备63.2K以上的过冷液氧；若希望进一步增大液氧过冷度，则液氮/液氧换热系统无法满足要求。

对液氧容器进行抽真空，也可获得过冷液氧，且该方案可制备接近三相点温度(54K)的过冷液氧。但该方法存在明显缺点：需要耗功极大、设备复杂的抽空系统；抽空过程会造成液氧的巨大浪费；液氧储罐必须耐负压；氧极易发生危险，抽空设备作用于氧，存在巨大的安全隐患；存在向液氧储罐的泄露而污染液氧等。

采用大型氦制冷系统也可向液氧提供过冷，但常规氦制冷系统工作温区介于室温与过冷液氧温区之间，制冷效率较低、功耗极大。此外，也有工作于液氢温区、甚至液氦温区的冷氦压缩机，该类型压缩机的气体入口与出口均显著低于室温。

低温火箭发射前，发射场地面存储的流体包括：液体燃料(液氢、液甲烷、或煤油)、液氧、液氮、高压氦气等。其中，液氮主要用于对容器、管路系统的气体置换、推进剂过冷等，氦气用于贮箱与管路的净化与增压等。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种无负压的液氧大过冷度获取系统，利用液氮预冷与冷氦压缩机制冷相结合，从而可不借助抽真空设备与负压换热装置，实现温度低于64K大过冷度液氧的发射场现场制备。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种无负压的液氧大过冷度获取系统，包括液氧储罐1，液氧储罐1的顶部增压口通过背压调节阀8、泄压阀7和高压氦气瓶6出口连接；液氧储罐1底部出口和液氧泄流阀2入口连接，液氧泄流阀2出口连接循环泵3入口，循环泵3出口连接氧-氦换热器4的液氧侧入口，氧-氦换热器4的液氧侧出口连接回流止回阀5入口，回流止回阀5出口连接液氧储罐1顶部回流口；

氧-氦换热器4的氦气侧出口连接冷氦压缩机13入口，冷氦压缩机13出口连接液氮浴式换热器11的氦气侧入口，液氮浴式换热器11的氦气侧出口连接氦膨胀机14入口，氦膨胀机14出口连接氧-氦换热器4氦气侧入口；

液氮浴式换热器11的液氮入口通过第一液位调节阀10与液氮储罐9底部出口连接，液氮浴式换热器11的氮气出口经第一氮气泄流阀12排空。

增加了回冷器15，回冷器15的第一氦气入口连接氧-氦换热器4的氦气侧出口，回冷器15的第一氦气出口连接冷氦压缩机13入口，冷氦压缩机13出口连接液氮浴式换热器11的氦气侧入口，液氮浴式换热器11的氦气侧出口连接回冷器15的第二氦气入口，回冷器15的第二氦气出口连接氦膨胀机14入口，氦膨胀机14出口连接氧-氦换热器4氦气侧入口。

引入液氮浴式过冷器17，液氮浴式过冷器17的液氧入口连接循环泵3出口，液氮浴式过冷器17的液氧出口通过第二截止阀19和回流止回阀5入口连接，回流止回阀5入口连接第一截止阀18出口，第一截止阀18入口和氧-氦换热器4液氧侧出口连接，氧-氦换热器4液氧侧入口通过旁通阀16和循环泵3出口连接；液氮浴式过冷器17的液氮入口通过第二液位调节阀20和液氮储罐9出口连接，液氮浴式过冷器17的氮气出口通过第二氮气泄流阀21排空。

一种无负压的液氧大过冷度获取系统，采用液氧加注过程实现大过冷度获取，包括液氧储罐1，液氧储罐1底部增压出口连接增压泄流阀22入口，增压泄流阀22出口连接空浴式汽化器23入口，空浴式汽化器23出口经增压止回阀24连接液氧储罐1的顶部增压口，液氧储罐1底部高于空浴式汽化器23顶部，依靠重力实现供液。

液氧储罐1底部出口连接液氧泄流阀2入口，液氧泄流阀2出口连接氧-氦换热器4的液氧侧入口，氧-氦换热器4的液氧侧出口连接加注阀25入口，加注阀25出口连接箭上贮箱26底部加注口，箭上贮箱26顶部增压口通过背压调节阀8、泄压阀7和高压氦气瓶6连接；

氧-氦换热器4的氦气侧出口连接冷氦压缩机13入口，冷氦压缩机13出口连接液氮浴式换热器11的氦气侧入口，液氮浴式换热器11的氦气侧出口连接氦膨胀机14入口，氦膨胀机14出口连接氧-氦换热器4氦气侧入口；液氮浴式换热器11的液氮入口通过第一液位调节阀10与液氮储罐9底部出口相接，液氮浴式换热器11的氮气出口经第一氮气泄流阀12排空。

在氧-氦换热器4之前增加一个饱和氮浴式过冷器28，饱和氮浴式过冷器28的液氧侧入口连接液氧泄流阀2出口，饱和氮浴式过冷器28的液氧侧出口连接氧-氦换热器4液氧侧入口，氧-氦换热器4液氧侧出口连接加注阀25入口，饱和氮浴式过冷器28的液氮侧入口通过液氮控制阀27与液氮储罐9的底部出口相接，饱和氮浴式过冷器28的氮气出口通过第三氮气泄流阀29排空。

所述的液氧储罐1立式或卧式布置，不锈钢材质，采用真空粉末绝热或真空多层绝热，承压高于1MPa。

所述的循环泵3采用浸泡冷却，确保泵体处于液氧温度，泵的增压压头须大于液氧储罐1处于最低液位时的液氧循环流动压降与重力压降；循环泵3或采用潜液式泵结构，此时，循环泵3内置于液氧储罐1内部，位于液氧泄流阀2之前。

所述的氧-氦换热器4采用壳管式、板式、板翅式的间壁式换热器结构，氦气侧流道设置肋片的换热强化结构；换热器外部采用珠光砂填充绝热。

所述的回流止回阀5为单向阀结构，流动方向为从氧-氦换热器4至液氧储罐1。

所述的高压氦气瓶6采用高压气瓶组并联结构，存储氦气为常温，压力不低于2MPa；背压调节阀8根据阀后压力即液氧储罐1内部压力调节开度，背压调节阀8的背压设置为大于环境压力+500Pa。

所述的冷氦压缩机13为离心式结构，入口压力大于0.1MPa，压比不小于3。

所述的液氮浴式换热器11采用管壳式换热器结构，氦气置于管侧，液氮置于壳侧；氦气管采用蛇形盘管、内螺纹管的换热强化结构；氦气管长度以出口氦气温度低于80K设置；壳侧液位由第一液位调节阀10调节。

所述的氦膨胀机14采用离心式、轴流式或活塞式结构，膨胀后压力大于0.1MPa。

所述的冷氦压缩机13、液氮浴式换热器11、氦膨胀机14及连接管路、阀门均采用堆积绝热包裹，分别采用绝热包裹，或集成后整体绝热。

本发明的有益效果：

本发明采用发射场充足的液氮资源作为冷源，结合冷氦压缩机适用于低温区工作的特性，将制冷系统的工作温区限定在液氮温区以下，显著提高了制冷效率；充分利用了发射场已经具备的条件，降低了液氧大过冷度获取的设备投资与改造成本。

本发明可制备温度低于64K的深度过冷液氧，最低温度可接近氧的三相点温度，从而最大程度地挖掘过冷推进剂的性能优势。

本发明在获取液氧大过冷度的过程中，未采用常规过冷所必需的抽真空设备与负压换热器，有效避免了对氧直接抽真空所造成的安全隐患，整个系统无负压，有利于结构减重与降低成本，且可避免过冷液氧获取中由于泄露产生的液氧污染。

本发明所采用压缩机、膨胀机等，均以氦气为工作流体，设备运行可靠，无安全隐患。

本发明利用氦气作为中间载冷剂实现对氧的过冷，氦气与氧接触，即使发生泄漏，也不会产生安全风险，不会污染液氧；此外，冷氦气与液氧换热时，氦气侧的换热速率更易控制，有利于过冷目标温度的定量获得，避免液氧侧的冰堵危害。

综上，本发明具有结构简单、运行可靠、可获过冷度更大、投资与运行成本低、无安全隐患等优势，应用前景可观。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例2的结构示意图。

图3为本发明实施例3的结构示意图。

图4为本发明实施例4的结构示意图。

图5为本发明实施例5的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。

实施例1，如图1所示，一种无负压的液氧大过冷度获取系统，包括液氧储罐1，液氧储罐1的顶部增压口通过背压调节阀8、泄压阀7和高压氦气瓶6出口连接；液氧储罐1底部出口和液氧泄流阀2入口连接，液氧泄流阀2出口连接循环泵3入口，循环泵3出口连接氧-氦换热器4的液氧侧入口，氧-氦换热器4的液氧侧出口连接回流止回阀5入口，回流止回阀5出口连接液氧储罐1顶部回流口；

氧-氦换热器4的氦气侧出口连接冷氦压缩机13入口，冷氦压缩机13出口连接液氮浴式换热器11的氦气侧入口，液氮浴式换热器11的氦气侧出口连接氦膨胀机14入口，氦膨胀机14出口连接氧-氦换热器4氦气侧入口；

液氮浴式换热器11的液氮入口通过第一液位调节阀10与液氮储罐9底部出口连接，液氮浴式换热器11的氮气出口经第一氮气泄流阀12排空。

所述的液氧储罐1为不锈钢材质，采用真空粉末绝热或真空多层绝热，储罐内液氧在循环泵3驱动下实现循环，液氧自液氧储罐1底部排出，过冷后的液氧自液氧储罐1顶部回流口回流。

所述的循环泵3的增压压头能够克服液氧储罐1内处于最低液位时循环流动压降、重力压降作用下的液氧循环动力需求；当循环泵3置于传输管路时，循环过冷前需打开液氧泄流阀2，提前对循环泵3开展预冷。

所述的氧-氦换热器4采用壳管式、板式、板翅式等间壁式换热器结构，氦气侧流道设置肋片等换热强化结构；换热器外部采用珠光砂填充绝热。

所述的高压氦气瓶6、泄压阀7、背压调节阀8根据液氧储罐1内气枕压力调节向液氧储罐1的氦气注入，避免在液氧过冷操作中液氧储罐1内产生负压，背压调节阀8的背压设置为大于环境压力+500Pa。

所述的冷氦压缩机13为离心式结构，入口压力大于0.1MPa，压比不小于3；冷氦压缩机13的入口氦气温度约30～60K。

所述的液氮浴式换热器11采用管壳式换热器结构，氦气置于管侧，液氮置于壳侧；氦气管采用蛇形盘管、内螺纹管等换热强化结构；氦气管长度以出口氦气温度低于80K确定；壳侧液位由第一液位调节阀10调节。

所述的氦膨胀机14采用离心式、轴流式或活塞式结构，膨胀后压力大于0.1MPa。

所述的冷氦压缩机13、液氮浴式换热器11、氦膨胀机14及连接管路、阀门等均采用堆积绝热包裹。

如图1所示，在实施例1中，火箭燃料加注前，液氧储罐1由液氧槽车等加注满仓，内部液氧近似维持90K饱和温度。打开第一液位调节阀10、第一氮气泄流阀12，向液氮浴式换热器11充注设定液位高度的液氮；开启冷氦压缩机13，制冷系统启动，对制冷系统(冷氦压缩机13、液氮浴式换热器11、膨胀机14、氧-氦换热器4及配套的管路、阀门等硬件)进行预冷，直至达到稳态；开启泄压阀7、背压调节阀8，接通高压氦气瓶6与液氧储罐1的流道，实现对液氧储罐1的压力控制；开启液氧泄流阀2对循环泵3开展预冷降温；降温结束后，开启回流止回阀5与循环泵3，接通液氧的循环回路，通过氧-氦换热器4内液氧与冷氦气的持续换热，实现液氧储罐1内液氧的逐渐过冷，直至目标温度达到。由于高压氦气瓶6、泄压阀7、背压调节阀8可保证增压氦气注入，确保了过冷过程中液氧储罐1不出现负压，维持箱内液氧过冷状态。

实施例2，参照图2，在实施例1的基础上，增加了回冷器15，回冷器15的第一氦气入口连接氧-氦换热器4的氦气侧出口，回冷器15的第一氦气出口连接冷氦压缩机13入口，冷氦压缩机13出口连接液氮浴式换热器11的氦气侧入口，液氮浴式换热器11的氦气侧出口连接回冷器15的第二氦气入口，回冷器15的第二氦气出口连接氦膨胀机14入口，氦膨胀机14出口连接氧-氦换热器4氦气侧入口。

氦膨胀机14释放冷量的效果取决于氦膨胀机14前氦气温度，经过液氮浴式换热器11预冷后的氦气温度约80K，再经过回冷器15进一步预冷至更低温度，可进一步降低膨胀机14膨胀后的氦气温度，强化氧-氦换热器4内对液氧的降温效果。

在实施例1、实施例2中对液氧储罐1内液氧的过冷操作是从90K起开始降温，相较而言，从90K降温至液氮饱和温度78K可借助液氮换热直接实现。

实施例3，参照图3，在实施例1基础上，引入液氮浴式过冷器17对应的换热支路及辅助的管路与阀门，液氮浴式过冷器17的液氧入口连接循环泵3出口，液氮浴式过冷器17的液氧出口通过第二截止阀19和回流止回阀5入口连接，回流止回阀5入口连接第一截止阀18出口，第一截止阀18入口和氧-氦换热器4液氧侧出口连接，氧-氦换热器4液氧侧入口通过旁通阀16和循环泵3出口连接；液氮浴式过冷器17的液氮入口通过第二液位调节阀20和液氮储罐9出口连接，液氮浴式过冷器17的氮气出口通过第二氮气泄流阀21排空。

在实施例3方案中，当对液氧储罐1内液氧从90K降温至78K时，旁通阀16与第一截止阀18关闭，第二截止阀19打开，来自循环泵3的液氧依次经过液氮浴式过冷器17、第二截止阀19、回流止回阀5反流回液氧储罐1；关闭第一液位调节阀10与第一氮气泄流阀12，冷氦压缩机13处于停机状态，打开第二液位调节阀20、第二氮气泄流阀21，来自液氮储罐9的液氮流入液氮浴式过冷器17，实现对循环液氧过冷。当液氧储罐1内液氧已降至78K温区后，关闭第二截止阀19，打开旁通阀16、第一截止阀18，来自循环泵3的液氧进入氧-氦换热器4后，再经过第一截止阀18、回流止回阀5反流回液氧储罐1；关闭第二液位调节阀20与第二氮气泄流阀21，开启第一液位调节阀10与第一氮气泄流阀12，确保液氮储罐9的液氮对液氮浴式换热器11的供液与排气要求，开启冷氦压缩机13与氦制冷系统，通过氧-氦换热器4对液氧储罐1内的液氧进一步过冷至78K以下。

实施例4，参照图4，一种无负压的液氧大过冷度获取系统，采用液氧加注过程实现大过冷度获取，包括液氧储罐1，液氧储罐1底部增压出口连接增压泄流阀22入口，增压泄流阀22出口连接空浴式汽化器23入口，空浴式汽化器23出口经增压止回阀24连接液氧储罐1的顶部增压口，液氧储罐1底部高于空浴式汽化器23顶部，依靠重力实现供液；

液氧储罐1底部出口连接液氧泄流阀2入口，液氧泄流阀2出口连接氧-氦换热器4的液氧侧入口，氧-氦换热器4的液氧侧出口连接加注阀25入口，加注阀25出口连接箭上贮箱26底部加注口，箭上贮箱26顶部增压口通过背压调节阀8、泄压阀7和高压氦气瓶6连接；

氧-氦换热器4的氦气侧出口连接冷氦压缩机13入口，冷氦压缩机13出口连接液氮浴式换热器11的氦气侧入口，液氮浴式换热器11的氦气侧出口连接氦膨胀机14入口，氦膨胀机14出口连接氧-氦换热器4氦气侧入口；液氮浴式换热器11的液氮入口通过第一液位调节阀10与液氮储罐9底部出口相接，液氮浴式换热器11的氮气出口经第一氮气泄流阀12排空。

当液氧储罐1向箭上贮箱26加注液氧时，带液氮预冷的冷氦制冷系统对传输管路中的液氧开展深度过冷；液氧储罐1内液氧通过增压泄流阀22进入空浴式汽化器23，液氧在空浴式汽化器23与环境换热实现气化，气化后的气氧经增压止回阀24进入液氧储罐1顶部，实现对液氧储罐1的增压，驱动液氧自液氧储罐1经液氧泄流阀2、氧-氦换热器4、加注阀25进入箭上贮箱26的底部。箭上贮箱26顶部设置由高压氦气瓶6、泄压阀7、背压调节阀8组成的压力控制系统，维持箭上贮箱26内的正压环境。

实施例5，如图5所示，在实施例4基础上，在氧-氦换热器4之前增加一个饱和氮浴式过冷器28，饱和氮浴式过冷器28的液氧侧入口连接液氧泄流阀2出口，饱和氮浴式过冷器28的液氧侧出口连接氧-氦换热器4液氧侧入口，饱和氮浴式过冷器28的液氮侧入口通过液氮控制阀27与液氮储罐9的底部出口相接，饱和氮浴式过冷器28的氮气出口通过第三氮气泄流阀29排空。

本实施例利用饱和氮浴式过冷器28将来自液氧储罐1的90K液氧初步过冷至78K温区，然后进入氧-氦换热器4进一步过冷至更低温度。存储于液氮储罐9的饱和液氮经液氮控制阀27向饱和氮浴式过冷器28供应液氮，饱和氮浴式过冷器28排出的氮气经第三氮气泄流阀29排空。